液泡起源

物理學家費曼說過：「我看不到一朵花怎會因有人研究而失色，花的美麗只會有增無減而矣。」

姜里文教授對此應該深信不疑，因為他對研究植物細胞也是樂此不疲，而且也每每發現其美麗動人之處。姜里文是中大卓敏生命科學教授，也是中大細胞及發育生物學研究中心主任，他領導的研究團隊在植物細胞器及蛋白質傳輸機理方面取得不少突破性成果，他最新對植物液泡起源的發現更是革新了植物生物學的基礎概念。

植物細胞器有如人體的器官，負責各項生存所需的機能。植物生物學教科書一般把內膜系統中的細胞器分類成內質網、 高爾基體、多囊泡體及液泡，其中液泡更是最大最重要的細胞器。

液泡在植物成長及發育方面扮演着決定性的角色，姜教授形容它是總指揮官，掌控衰老排廢的裂解功能、儲存蛋白質及糖分、維持膨壓、平衡細胞體積及防禦功能等。

液泡的角色雖然重要，但科學家對其起源或進化所知甚少。過去四十年來出現過兩派學說，一說是液泡是由內涵體融合而成；另一說是從內質網形成一個單一相連的液泡，而且每個細胞只有一個液泡。近年三維透射電子顯微鏡技術發展一日千里，解析度已精細至以納米計算（一納米（nm）相等十億分之一米）。有見及此，姜教授決定利用此等技術來嘗試解開液泡起源之謎。

姜教授的團隊獲香港研究資助局卓越學科領域計劃的資助，數年前購置了一部尖端的電子斷層掃描儀，用來研究植物細胞不同階段的液泡狀態。他們選用擬南芥作為研究對象，因為擬南芥是第一種做到全基因列序的植物，而且容易快速生長，是植物生物學研究常用的樣本。

在納米解析率之下，細胞器的形態及分布都呈現前所未見的面貌。在細胞成長初段，可以見到很多直徑400至1000nm的小液泡，但其後這些小液泡的數量會逐漸減少，代之而出現的是直徑1000至2000nm，最後更是2000nm以上的液泡，顯示成熟的液泡是由小液泡融合而成，這個結果也直接否定了「單一相連液泡」一說。姜教授打個比喻：「我們現在手裏多了一枝焦距更遠的鏡頭，遠處一間房子本來只看到屋子外牆，現在屋裏有甚麼人，甚麼傢俬，不同時候發生甚麼事，都鉅細靡遺。」

團隊也發現小液泡其實是由直徑只有100至400nm的多囊泡體融合而成。小液泡和多囊泡體外型相似，都是外膜包着多個囊泡，所以很容易令人混淆。但姜教授分析兩者的大小、外膜的成分及不同階段的分布形態，判斷小液泡其實是由多囊泡體融合而成。

透過全細胞斷層掃描，加上以不同基因突變體作調節試驗，團隊提出一個新的液泡起源模型：液泡主要是由多囊泡體的融合衍生而成，而且過程中每一階段均有特定基因物質作出調節。

團隊在日本與美國的研究夥伴，以另一種尖端定型及掃描技術證實上述發現。團隊的研究成果獲Nature Plants發表，該著名科學期刊的網站更同時為此作了重點介紹。

姜教授表示：「是次研究成果將重新定義教科書中有關植物液泡的概念，並對應用植物生物學帶來重大影響。」他更指出未來如何改良穀物品種以抗疫除蟲，和怎樣利用種子儲存型液泡來生產藥用蛋白等研究也將受益不少。

姜教授認為研究無論多好，也要應用到教學上。他的團隊和中大資訊科技服務處合作研發了一個流動應用程式，以虛擬現實技術呈現植物細胞的三維世界，使學生親身見證植物液泡的形成。

這個流動應用程式在去年的中大教學創新展上獲得優等海報獎。姜教授說：「這個獎證明了前沿科研可以也應該造福教學。現在生物科學的轉變實在太快，學生不能只跟着書本唸，而是應該從多媒體、多角度不斷學習。」

T.C.

 

 

本文出自《中大通訊》第532期（2019年2月）

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植物細胞 植物生物學 姜里文 生命科學學院 細胞及發育生物學研究中心 教授